KR102123914B1 - 팬케이크 형상의 주조몰드 상부 유도 가열장치 및 이를 이용한 강괴 주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 팬케이크 형상의 주조몰드 상부 가열장치를 이용한 강괴 주조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 주조몰드 상부 가열장치를 이용한 강괴 주조 방법은, 주조 몰드의 하부를 통해 상기 주조몰드 내에 용강을 주입하는 제1단계와; 용강이 주입된 상기 주조몰드 내의 용탕의 상부면에 발열재 및 보온재를 도포하는 제2단계와; 유도가열코일이 내장되고 외부는 내화물로 구성된 팬케이크 형상의 가열장치를 상기 주조몰드 상부에 장착하고, 상기 가열장치의 내화물을 450~550℃로 예열하는 제3단계와; 상기 가열장치가 상기 용탕의 상부면에 인접되도록 하강시키고 상기 유도가열코일에 유도전류를 인가하여 상기 용탕의 상부면을 가열하되, 상기 용탕의 상부면의 응고가 시작되는 시점까지 가열하는 제4단계;를 구비한다.

Description

팬케이크 형상의 주조몰드 상부 유도 가열장치 및 이를 이용한 강괴 주조방법{Casting mold upper induction heating devices with pancake shape and large ingot fabricating method using the same}

본 발명은 팬케이크 형상의 주조몰드 상부 유도 가열장치 및 이를 이용한 강괴 주조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 주조제품 내부의 응고결함이 적은 양질의 강괴제품을 제조할 수 있는 팬케이크 형상의 주조몰드 상부 유도가열장치 및 이를 이용한 강괴 주조방법에 관한 것이다.

현재 연속주조공정기술이 발달하여 대부분의 구조용 합금강이 판재 봉재 각재의 형태로 생산되고 있으나, 대형기계부품, 대형 금형 선박부품 등에는 전통적으로 제조 하여온 대형 강괴를 이용한 단조기술에 의존할 수밖에 없다.

최근 이러한 대형 부품에서 요구되는 품질요구 수준이 높아지고 강괴의 높은 사용효율을 요구하므로 제조된 강괴 전체에 균일하고 건전한 주조상태를 필요로 하고 있다.

특히, 대형 강괴는 응고시간이 길고 금속의 큰 부피에 따른 수축량이 크기 때문에 강괴 내부에 큰 결함이 생성될 가능성이 높다. 이에 대형 강괴 주조시에는 보다 최적화 된 주조방안과 이상적인 응고모델이 요구된다. 따라서 최근에는 실제 주조공정에 의한 제품을 제조하기 전에 컴퓨터에 의한 모의주조를 통하여 결함을 예측하고 결함의 발생 원인을 분석하여 문제점을 보완하고 실제 주조 조건에 적용하여 주조공정 조건을 개량하고 있다.

통상적으로 강괴는 주조몰드에 용강을 주입하고 이를 냉각하여 제조되는데, 주입되는 용강은 강괴 본체부와 압탕부로 구분할 수 있다. 압탕부는 강괴 본체부의 건전성을 확보하기 위하여 여분의 용강을 추가 공급하여 형성한 것으로 본체부에 발생할 수 있는 응고수축과 같은 주조결함을 흡수한다. 압탕부의 성능이 미약하거나 부족하여 본체부의 응고완료 이전에 압탕부와 본체부의 응고가 동시에 진행되거나 압탕부가 먼저 응고하는 문제점이 발생되고, 이에 따라 강괴 본체부에 응고수축 및 응고균열과 같은 주조결함을 발생시키는 문제점이 발생된다.

이러한 문제점을 극복하고 강괴의 건전성을 확보하기 위해 압탕부에 흑연 전극 봉을 설치한 구조가 개발되었다. 이 구조는 흑연 전극봉의 아크열로 강괴 중심부와 압탕부의 온도를 다른 부분보다 높이는 방법이다. 이로 인해 강괴 중심부와 상부의 온도를 보상하고, 높게 유지하여 용강 중에 존재할 수 있는 비금속 개재물의 부상분리, 가스의 제거, 수축공 및 응고균열의 방지효과를 얻게 된다.

그러나 이러한 종래의 방법 즉 압탕부에 흑연 전극봉을 설치하여 가열하는 방법은 흑연전극에 의한 장시간 아크 발생시 흑연전극이 압탕부 용강 표면에 의해 침식소모되고 그 소모된 흑연이 강괴 중에 혼입되어 원하지 않는 탄소 및 기타 불순물(산화물)들이 혼입될 가능성이 높다는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2016-0105428호(2016.09.06.)

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 팬케이크 형상의 주조몰드 상부 유도가열장치 및 이를 이용한 강괴 주조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 응고결함이 적은 양질의 강괴를 제조할 수 있는 팬케이크 형상의 주조몰드 상부 유도가열장치 및 이를 이용한 강괴 주조방법을 제공하는 데 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 강괴 제조를 위한 주조 몰드의 상부에 장착되어 주조몰드 내의 용탕의 상부면을 가열하기 위한 주조몰드 상부 유도가열장치는, 나선형으로 배치되는 유도가열코일과; 팬케이크 형상으로 구비되어 상기 유도가열코일이 내장되고 상기 유도가열코일을 고정함과 동시에 상기 용탕에 의한 열전도를 최소화하기 위한 내화물과; 상기 유도가열코일이 내장된 팬케이크 형상의 내화물을 승하강시키기 위한 승하강유닛;을 구비한다.

상기 내화물은 코일그라우트(coil grout), 세라크울(cerakwool), 파우더(power), 캐스터블(castable)이 순차적으로 적층된 4중구조를 가질 수 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 주조몰드 상부 유도가열장치를 이용한 강괴 주조 방법은, 주조 몰드의 하부를 통해 상기 주조몰드 내에 용강을 주입하는 제1단계와; 용강이 주입된 상기 주조몰드 내의 용탕의 상부면에 발열재 및 보온재를 도포하는 제2단계와; 유도가열코일이 내장되고 외부는 내화물로 구성된 팬케이크 형상의 유도가열장치를 상기 주조몰드 상부에 장착하고, 상기 유도가열장치의 내화물을 450~550℃로 예열하는 제3단계와; 상기 가열장치가 상기 용탕의 상부면에 인접되도록 하강시키고 상기 유도가열코일에 유도전류를 인가하여 상기 용탕의 상부면을 가열하되, 상기 용탕의 상부면의 응고가 시작되는 시점까지 가열하는 제4단계;를 구비한다.

상기 주조몰드에서 제조되는 강괴는 상부의 압탕부와 하부의 본체부로 구분되고, 상기 제4단계에서 상기 용탕의 상부에 대한 유도가열은, 상기 본체부의 응고가 완료된 상태에서 상기 압탕부의 응고가 시작되는 시점까지 수행될 수 있다.

상기 유도가열장치는, 나선형으로 배치되는 유도가열코일과; 팬케이크 형상으로 구비되어 상기 유도가열코일이 내장되고 상기 유도가열코일을 고정함과 동시에 상기 용강에 의한 열전도를 최소화하기 위한 내화물과; 상기 유도가열코일이 내장된 팬케이크 형상의 내화물을 승하강시키기 위한 승하강유닛;을 구비할 수 있다. 상기 내화물은 코일그라우트(coil grout), 세라크울(cerakwool), 파우더(power), 캐스터블(castable)이 순차적으로 적층된 4중구조를 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 몰드의 하단부는 냉각이 빠르고 몰드의 상단부는 냉각이 지연되어 주조제품 내부의 응고결함이 적은 양질의 강괴 제품을 제조할 수 있다. 또한 강괴에 불순물 유입이 없이 정확한 온도조절을 통해 양질의 강괴제품의 제조가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강괴주조장치의 개략도이고,
도 2는 도 1의 주조몰드 상부 가열장치의 정단면도이고,
도 3은 도 2의 측단면도이고,
도 4는 도 2에서 유도가열코일만을 도시한 것이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강괴주조장치를 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 강괴주조장치(100)는, 하부에 주입구가 형성된 주조몰드(110) 및 주조몰드 상부의 가열을 위한 유도가열장치(150)를 구비한다.

상기 주조 몰드(110)는 하부주입구(112)를 통해 용강을 공급받게 된다, 용강은 주조몰드(110) 내의 하부에서부터 충진된 후 주조 몰드(100)내에서 냉각되어 강괴로 주조되게 된다.

상기 주조몰드(110) 내에서 강괴는 본체부와 압탕부으로 구분할 수 있다. 압탕부는 본체부의 건전성을 확보하기 위하여 여분의 용강을 추가 공급하여 형성한 것으로 본체에 발생할 수 있는 응고수축과 같은 주조결함을 흡수하게 된다. 통상적으로, 주조몰드(110) 내의 용탕에서 상부쪽이 압탕부이고 하부쪽이 본체부가 된다.

주조몰드(110) 내의 용탕 중 본체부의 응고완료 이전에 압탕부와 본체부가 본체의 응고가 동시에 진행되거나 압탕부가 먼저 응고하게 되면, 강괴 본체부에 응고수축 및 응고균열과 같은 주조결함이 발생되게 된다. 이에 따라, 용강 주입후 상기 주조몰드(110) 내의 용탕은 하부에서 먼저 응고가 빠르게 진행되고 상부로 갈수록 순차적으로 응고가 진행되어 압탕부가 응고되도록 하여야 건전한 강괴를 제조할 수 있게 된다.

상기 압탕부가 먼저 응고되는 것을 방지하기 위해, 상기 주조몰드(110) 내에 용강이 충진된 이후에, 상기 압탕부의 표면(또는 용탕의 상부면)에 금속 알루미늄, 알루미늄 슬러그와 재를 혼합하여 만든 발열재(160)를 강괴의 크기에 따라 무게분율로 하여 일정량 도포하고 발열재(160) 상부에 왕겨와 같은 보온재(170)로 보온하게 된다.

상기 발열재(160)는 상기 용탕의 상부면에 10mm 정도의 두께로 도포하고, 상기 보온재(170)는 50mm 정도의 두께로 도포된다.

이후 도 2 내지 4에 도시된 바와 같은 팬케이크 형상의 주조몰드 상부 유도가열장치(150)를 상기 주조몰드(110)의 상부에 장착하고 상기 유도가열장치(150)의 유도가열코일(155)이 내장된 내화물(152)을 450~550℃로 예열한다.

상기 내화물(152)을 예열하는 이유는, 상기 유도가열장치(150)가 상기 용탕의 상부측에 접근하는 경우, 상기 내화물(152)이 예열되지 않은 상태이기 때문에 상기 용탕의 열로 인한 크랙이 발생될 수 있기 때문에, 상기 내화물(152)을 예열하여 크랙을 최소화한다.

상기 유도가열장치(150)는 도 2의 정면 단면도, 도 3의 측 단면도, 및 도 4의 유도가열코일의 구조를 나타낸 도면에 도시된 바와 같이, 나선형으로 배치되는 유도가열코일(155)과, 팬케이크 형상으로 구비되어 상기 유도가열코일(155)이 내장되고 상기 유도가열코일(155)을 고정함과 동시에 상기 용강에 의한 열전도를 최소화하기 위한 내화물(152)을 구비하는 구조를 가진다.

또한 상기 유도가열코일(155)이 내장된 팬케이크 형상의 내화물(152)을 승하강시키기 위한 승하강유닛(130)과 상기 유도가열코일(155) 및 상기 내화물(152)을 지지하고 상기 주조몰드(110)에 안정적으로 안착시키기 위한 지지프레임(120)을 구비하는 구조를 가진다.

상기 유도가열코일(155)은 튜브형상(예를 들면, 동파이프 구조)으로 구비될 수 있고, 나선형 구조로 배치될 수 있으며, 전원인가부(156)를 통해 인가되는 전원을 이용하여 유도 자기장을 발생시켜 상기 용탕의 상부면(압탕부)를 가열하게 된다.

상기 내화물(152)은 코일그라우트(coil grout)(152a), 세라크울(cerakwool)(152b), 파우더(power)(152c), 캐스터블(castable)(152d)이 순차적으로 적층된 4중구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 코일그라우트(152a)는 상기 유도가열코일(155)의 고정 및 용탕에 의한 열전도최소화하기 위한 것이고, 상기 세라크울(152b)은 상기 유도가열코일(155)에 전도열이 도달하는 것을 최소화하기 위한 것이고, 상기 파우더(152c)는 내화용 파우더가 이용될 수 있고, 상기 세라크울(152b)에 전도되는 열을 최소화하고 상기 캐스터블(152d)에 크랙 발생시 상기 캐스터블(152d) 역할을 수행하기 위한 것이고, 상기 캐스터블(152d)는 용탕에 의한 직접 열을 차단하기 위한 것이다.

상기 유도가열코일(155)이 내장된 내화물(152)은 전체적으로 팬케이크 형상(또는 높이가 폭보다 작은 원통형상, 또는 약간의 높이가 있는 원판형상)을 가지게 된다.

상기 승하강 유닛(130)은 상기 유도가열코일(155)이 내장된 내화물(152)을 승하강 시키기 위한 것으로, 상기 유도가열코일(155)에 의한 유도자기장이 상기 용탕에 영향을 줄 수 있는 위치까지 이동하는 역할을 수행하게 된다.

상기 내화물(152)이 예열된 상태에서, 상기 승하강 유닛(130)을 이용하여 상기 유도가열코일(155)이 내장된 팬케이크 형상의 내화물(152)이 상기 용탕의 상부면에 인접되도록 하강시키게 된다. 이때 상기 유도가열코일(155)에 의한 유도자기장이 상기 용탕에 영향을 줄 수 있는 위치까지 하강하게 된다.

이후 상기 유도가열코일(155)에 전원을 인가하여 유도자기장을 발생시켜 상기 용탕의 상부를 가열하게 된다. 이에 따라 상기 압탕부가 본체부보다 먼저 응고되는 것을 방지하게 된다.

상술한 유도가열코일(155)을 이용한 가열은 상기 주조몰드(110) 내부의 용탕의 상부가 고체상태로 변화하는 시점까지 계속되게 된다. 즉 상기 본체부의 응고가 완료된 상태에서 상기 압탕부의 응고가 시작되는 시점까지 수행되게 된다. 이때, 상기 가열장치는 상기 유도가열코일(155)에 인가되는 전류의 양을 조절하여 유도자기장의 세기를 변화시킴에 의해 상기 압탕부의 온도를 조절하는 것이 가능하다.

이상의 과정을 통해 몰드의 하단부는 냉각이 빠르고 몰드의 상단부는 냉각이 지연되어 주조제품 내부의 응고결함이 적은 양질의 강괴 제품을 제조하는 것이 가능하다. 또한 강괴에 불순물 유입이 없이 정확한 온도조절을 통해 양질의 강괴제품의 제조가 가능하게 된다.

상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.

110 : 주조몰드 120 : 지지프레임
130 : 승하강장치 152 : 내화물
155 : 유도가열코일

Claims (6)

1. 강괴 제조를 위한 주조 몰드의 상부에 장착되어 주조몰드 내의 용탕의 상부면을 가열하기 위한 주조몰드 상부 유도가열장치에 있어서:
   나선형으로 배치되는 유도가열코일과;
   팬케이크 형상으로 구비되어 상기 유도가열코일이 내장되고 상기 유도가열코일을 고정함과 동시에 상기 용탕에 의한 열전도를 최소화하기 위한 내화물과;
   상기 유도가열코일이 내장된 팬케이크 형상의 내화물을 승하강시키기 위한 승하강유닛;을 구비하고,
   상기 내화물은 코일그라우트(coil grout), 세라크울(cerakwool), 파우더(powder), 캐스터블(castable)이 순차적으로 적층된 4중구조를 가짐을 특징으로 하는 주조몰드 상부 유도가열장치.
   
2. 삭제
3. 주조 몰드의 하부를 통해 상기 주조몰드 내에 용강을 주입하는 제1단계와;
   용강이 주입된 상기 주조몰드 내의 용탕의 상부면에 발열재 및 보온재를 도포하는 제2단계와;
   유도가열코일이 내장되고 외부는 내화물로 구성된 팬케이크 형상의 유도가열장치를 상기 주조몰드 상부에 장착하고, 상기 유도가열장치의 내화물을 450~550℃로 예열하는 제3단계와;
   상기 유도가열장치가 상기 용탕의 상부면에 인접되도록 하강시키고 상기 유도가열코일에 유도전류를 인가하여 상기 용탕의 상부면을 가열하되, 상기 용탕의 상부면의 응고가 시작되는 시점까지 가열하는 제4단계;를 구비하고,
   상기 주조몰드에서 제조되는 강괴는 상부의 압탕부와 하부의 본체부로 구분되고,
   상기 제4단계에서 상기 용탕의 상부에 대한 가열은, 상기 본체부의 응고가 완료된 상태에서 상기 압탕부의 응고가 시작되는 시점까지 수행됨을 특징으로 하는 주조몰드 상부 유도가열장치를 이용한 강괴 주조 방법.
   
4. 삭제
5. 주조 몰드의 하부를 통해 상기 주조몰드 내에 용강을 주입하는 제1단계와;
   용강이 주입된 상기 주조몰드 내의 용탕의 상부면에 발열재 및 보온재를 도포하는 제2단계와;
   유도가열코일이 내장되고 외부는 내화물로 구성된 팬케이크 형상의 유도가열장치를 상기 주조몰드 상부에 장착하고, 상기 유도가열장치의 내화물을 450~550℃로 예열하는 제3단계와;
   상기 유도가열장치가 상기 용탕의 상부면에 인접되도록 하강시키고 상기 유도가열코일에 유도전류를 인가하여 상기 용탕의 상부면을 가열하되, 상기 용탕의 상부면의 응고가 시작되는 시점까지 가열하는 제4단계;를 구비하고,
   상기 유도가열장치는,
   나선형으로 배치되는 유도가열코일과;
   팬케이크 형상으로 구비되어 상기 유도가열코일이 내장되고 상기 유도가열코일을 고정함과 동시에 상기 용강에 의한 열전도를 최소화하기 위한 내화물과;
   상기 유도가열코일이 내장된 팬케이크 형상의 내화물을 승하강시키기 위한 승하강유닛;을 구비함을 특징으로 하는 주조몰드 상부 유도가열장치를 이용한 강괴 주조 방법.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 내화물은 코일그라우트(coil grout), 세라크울(cerakwool), 파우더(powder), 캐스터블(castable)이 순차적으로 적층된 4중구조를 가짐을 특징으로 하는 주조몰드 상부 유도가열장치를 이용한 강괴 주조 방법.

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